Universität Stuttgart
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Item Open Access Ein Verfahren zur Planung von verschwendungsarmen getakteten Fließmontagen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Eisele, Michael; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Verschiedene Megatrends wie die Globalisierung oder der Wandel vom Anbieterzum Käufermarkt erzeugen bei Unternehmen extreme Wettbewerbssituationen. Im Bestreben nach maximaler Wirtschaftlichkeit und Effizienz rückt im Besonderen die Montage in den Mittelpunkt der Betrachtungen, da sie einen vergleichsweise hohen Wertschöpfungsanteil durch personal- bzw. investitionsintensive Prozesse aufweist. Das historisch bewährte und heute global etablierte Toyota-Produktionssystem bietet Lösungen zur Kostenreduzierung durch das Erkennen und Beseitigen von Verschwendung. Dessen Ansätze und Methoden sind auf die kontinuierliche Verbesserung real existierender Produktionen ausgerichtet. Für die vorserielle Planung sind kaum Ansätze zur Reduzierung von Verschwendung und zur Konzentration auf Wertschöpfung vorhanden, weder in den heute existierenden Montageplanungsmethoden noch in den am Markt befindlichen EDVTools. Dadurch werden die heute vorhandenen Kostensenkungspotenziale besonders bei den mit hoher Stückzahl betriebenen getakteten Fließmontagen nicht erschlossen. Deshalb wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur Planung von verschwendungsarmen getakteten Fließmontagen entwickelt. Es beinhaltet erstmalig Kennzahlen zur Quantifizierung und Algorithmen zur Kostenermittlung aller 7 Verschwendungsarten. Auf diese Weise ermöglicht es bereits während der Planung die Lokalisierung und Reduzierung von Verschwendung. Innerhalb der 8 hierfür entwickelten Planungsphasen wird sukzessive ein Modell erzeugt, das vollständig das Montagesystem beschreibt und modellbasiert dessen Montagestückkosten ausweist. Die Verwendung neu geschaffener Diagramme fördert beim Planer die Entscheidungstransparenz und das Auffinden situationsbedingter Maßnahmen zur Reduzierung von Verschwendung.Item Open Access Position sensor and control system for micro hydraulic drives in surgical instruments(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Comella, Laura; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)This work is focused on the research and development of a sensor that permits the control of the movement of a hydraulically driven laparoscopic instrument tip and opens the way towards a new interpretation of surgical instruments. In the new vision the instrument is able to execute automatically preprogrammed tasks, without the constant involvement of the surgeon in the instrument control. After an analysis on the state of the art for laparoscopic instruments and a revision of the relevant literature on sensors for displacement measurement, the coaxial cylindrical capacitive method was identified as the most suitable solution for the application analyzed. This sensor configuration can be integrated directly into the hydraulic cylinder without the need of additional parts. The feasibility of the coaxial cylindrical capacitive sensor is theoretically analyzed, validated with FEA simulation and then characterized experimentally. Relevant is the fact that the tests are run with two different hydraulic cylinders, a mini hydraulic and a micro hydraulic cylinder, to demonstrate the scalability of the sensor and its adaptability to instruments of different size. The experimental results match the simulations and confirm the sensor´s behavior also on experimental level. The sensor is than integrated in a closed loop system to test its suitability for controlling the position of the instrument tip in a scenario as close as possible to the real one. For this reason, a hydraulic drive, which permits the movement of the instrument tip, is designed. The full hydraulic drive system is modeled and this model is used to design a feedback control. The designed controller is initially proven through simulation. Afterwards it is tested with experiments proving the correspondence between simulated and real world behavior of the system.Item Open Access Modell zur Bewertung von Investitionen zur Steigerung der Ökoeffektivität innerbetrieblicher Wertschöpfungsketten(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Weskamp, Markus; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Nachhaltiges Wirtschaften wird immer mehr zu einem Produktionsparadigma aus dem sich für produzierende Unternehmen neue Chancen und Risiken ergeben. Diese sind verbunden mit strategischen Investitionen, die eine fundierte wirtschaftliche Bewertung erfordern. Klassische Bewertungsverfahren wie beispielsweise die Kapitalwertmethode weisen Schwächen bei der Berücksichtigung flexibler Handlungsmöglichkeiten während des Investitionsprozesses auf und führen teilweise zu Fehlentscheidungen. Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Arbeit ein Bewertungsmodell für strategische Investitionen bereit, welches es ermöglicht, Investitionen unter Berücksichtigung von unsicheren und flexiblen Umwelteinflüssen zu analysieren und abgesicherte Entscheidungen zu treffen. Das in der Arbeit beschriebene Modell kombiniert Bewertungsmethoden der Realoptionstheorie mit Modellierungsansätzen des System Dynamics und schafft einen Rahmen zur ganzheitlichen Bewertung der Investitionssituation unter Einfluss von externen Umwelteinflüssen. Das Modell ermöglicht es dem Anwender, die für die Entscheidung relevanten Bewertungsparameter systematisch zu ermitteln und die komplexen Wirkbeziehungen untereinander abzubilden. Die beschriebene Vorgehensweise zur Anwendung des Modells liefert darüber hinaus konkrete Handlungsanweisungen für die strukturierte und zielgerichtete Modellnutzung. Die informationstechnische Umsetzung des Bewertungsmodells stellt die aufwandsarme Anwendbarkeit in der Praxis sicher. Die Arbeit schließt mit der kritischen Würdigung der wissenschaftlichen Erkenntnisse sowie einer Zusammenfassung und dem Ausblick auf den weiteren Forschungsbedarf.Item Open Access Ganzheitliches Verfahren zur Lösung der operativen Planungsprobleme in der Person-zur-Ware-Kommissionierung(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Kübler, Patrick; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Kurze und zuverlässige Lieferzeiten werden bei der Kaufentscheidung immer entscheidender. Effizient betriebene Kommissioniersysteme werden damit zu einem wichtigen Faktor. Der Wunsch der Kunden nach individualisierten bzw. personalisierten Produkten führt zu sinkenden Auftragsgrößen, einer zunehmend volatilen Nachfrage und damit zu steigenden Herausforderungen für die Kommissionierung. Um Aufträge möglichst schnell und aufwandsarm kommissionieren zu können, sind drei Planungsprobleme zu lösen: Die Vergabe der Lagerplätze (Lagerplatzvergabeproblem), die Bündelung von Aufträgen in sogenannten Batches (Auftragsbildungsproblem) und die Planung der Kommissioniertouren (Tourenplanungsproblem). Diese Probleme sind stark voneinander abhängig, werden bislang aber separat gelöst. Für die gemeinsame Lösung der Probleme gibt es noch kein geeignetes Verfahren. Die gestiegene Dynamik der Kundennachfrage führt ohne Umlagerungen zu einer sinkenden Effizienz. Häufig schrecken Unternehmen aber davor zurück, Artikel umzulagern, da befürchtet wird, dass den Umlagerungsaufwänden keine entsprechenden Effizienzgewinne gegenüberstehen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das die drei Planungsprobleme ganzheitlich löst und die zukünftige Dynamik der Kundennachfrage antizipiert. Umlagerungen werden nur durchgeführt, wenn die zu erwartenden Wegstreckenreduktionen den Umlagerungsaufwand übersteigen. Unternehmen profitieren von der ganzheitlichen Lösung der Probleme und der Beherrschung der Dynamik in Form erheblicher Aufwandsreduktionen. Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird in umfangreichen numerischen Experimenten nachgewiesen. Im Rahmen einer Fallstudie werden die Ergebnisse der numerischen Experimente bestätigt und die Praxistauglichkeit des Verfahrens unter Beweis gestellt.Item Open Access Design for Capacity Flexibility : Entwicklung einer Methodik zur wirtschaftlichen Kapazitätsflexibilisierung mithilfe von substituierbaren Produktdesignvarianten(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Holtewert, Philipp; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Unternehmen der variantenreichen Serienfertigung sind einem hohen Kostendruck sowie einer stark saisonal schwankenden Nachfrage ausgesetzt. Die Herausforderung dieser Unternehmen dabei ist, eine hohe Kapazitätsauslastung durch Vermeidung von Überkapazitäten und Engpässen zu erreichen und die Fixkosten in der Fertigung abhängig von der Nachfrage zu minimieren. Mithilfe von heutigen Lösungsansätzen zur Kapazitätsflexibilisierung können Unternehmen in den Grenzen eines definierten Flexibilitätskorridors auf Marktturbulenzen reagieren. Diese Ansätze ermöglichen es jedoch nicht, die durch die schwankende Nachfrage entstehenden Überkapazitäten und Engpässe vollständig zu eliminieren. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit ein alternativer Ansatz zur flexiblen Kapazitätsanpassung unter dem Namen Design for Capacity Flexibility für die variantenreiche Serienfertigung vorgestellt. Ziel des Ansatzes ist die effiziente Nutzung von Überkapazitäten sowie die wirtschaftliche und schnelle Reaktion bei Engpässen durch Anwendung von substituierbaren Produktdesignvarianten. Hierfür wird die zeitgleiche Herstellung von austauschbaren Produktkomponenten mit der gleichen Produktfunktion, jedoch mit zwei unterschiedlichen Produktdesigns angestrebt. Eines der Produktdesigns benötigt eine hohe Bearbeitungszeit mit niedrigen variablen Kosten, das andere hingegen eine niedrige Bearbeitungszeit mit hohen variablen Kosten. Dies ermöglicht die Variabilisierung der Bearbeitungszeiten von Fertigungsprozessen und führt schlussendlich zur Steigerung der Kapazitätsflexibilität, Senkung der Kosten und Maximierung des Gewinns. Zur Anwendung des Ansatzes ist eine Methodik entwickelt worden, die eine objektive Bewertung von Substitutionspotentialen hinsichtlich Kapazität, Kosten, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit ermöglicht. Die Methodik wurde anhand eines Fallbeispiels in einem Unternehmen zur Herstellung von Kühlschränken auf ihre Praxistauglichkeit hin geprüft. Die Ergebnisse des Fallbeispiels zeigen eine kosten- und mengenoptimierte sowie hoch ausgelastete Fertigung bei Anwendung substituierbarer Produktdesigns. Konkret sind eine Gewinnsteigerung bis zu fünf Prozent/Jahr und eine Steigerung der wirtschaftlichen Kapazitätsflexibilität bis zu sechzehn Prozent im Fallbeispiel möglich.Item Open Access Methodik zur Quantifizierung der nachhaltigen Wertschöpfung von Produktionssystemen an der ökonomisch-ökologischen Schnittstelle anhand ausgewählter Umweltprobleme(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Miehe, Robert; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.)Nachhaltige Wertschöpfung ist das Diktum einer zukunftsfähigen Wirtschaftsform. Damit es gelingen kann, Produktionssysteme nach dieser Maßgabe zu konzipieren, ist eine quantitative Bezifferung von essentieller Bedeutung. Gründend auf den ethisch-normativen Lehren Immanuel Kants‘ und Hans Jonas‘, wird in der vorliegenden Arbeit nach einer kategorischen Objektivierung der Wertschöpfung an der ökonomisch-ökologischen Schnittstelle gesucht. Das hier vorgelegte Konzept erweitert die betriebliche Wertschöpfungsrechnung um die sozio-ökologischen Folgen produktionstechnischer Handlungen. Mit dem eco²-Value-Added wird ein rein pekuniärer Indikator präsentiert, der sowohl die betriebs- als auch die gesellschaftszweckdienlichen Effekte der Leistungserstellung zu inkludieren vermag. Einem produzierenden Unternehmen eröffnet das Konzept die Überprüfung der gesellschaftlichen Legitimation, die Antizipation von Unternehmensrisiken sowie eine zielorientierte Ausrichtung des soziotechnischen Systems im Hinblick auf die immanente Gerechtigkeitsherausforderung. Ebenso ist eine ordnungspolitische Verwendung des Ansatzes in Form gezielter Steuer- und Regelungsmechanismen möglich.Item Open Access Entwicklung eines hochbeständigen, galvanisch abgeschiedenen Schichtsystems für den Einsatz in maritimer Technik bei starker tribokorrosiver Belastung(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Kölle, Stefan; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Das große technische Potential der Meeresenergie wird vor allem aufgrund der teuren Anlagentechnik nur in sehr geringem Umfang genutzt. Der Verzicht auf eine Kapselung der Wälzlager in Meeresenergieanlagen könnte eine Reduzierung der Reibungsverluste, hervorgerufen durch die Dichtungstechnik, um bis zu 30 % bewirken. Damit wäre ein deutlich effizienterer und damit wirtschaftlicherer Betrieb dieser Anlagen möglich. Ohne eine Kapselung sind die Wälzlager allerdings direkt dem korrosiven Meerwasser ausgesetzt. In Kombination mit der gleichzeitig auftretenden starken tribologischen Belastung resultiert ein tribokorrosives Beanspruchungskollektiv. Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung eines galvanisch abscheidbaren Schichtsystems und des dazugehörigen Beschichtungsverfahrens, mit dem der Wälzlagerstahl 100Cr6 vor der tribokorrosiven Belastung in Meerwasser geschützt werden kann. Diese Arbeit umfasst die Entwicklungen im Labormaßstab. Im ersten Schritt werden die theoretischen Anforderungen hinsichtlich des Korrosions- und Verschleißschutzes festgelegt, die das Schichtsystem erfüllen muss, um der vorliegenden Belastung widerstehen zu können. Darauf aufbauend wird eine Vorauswahl von potentiell geeigneten Schichtsystemen abgeleitet, die als Stand der Wissenschaft und Technik näher analysiert werden. Im Abschnitt zur Versuchsplanung werden die verschiedenen Versuchsaufbauten vorgestellt und die Schichtcharakterisierung definiert. Der zentrale Inhalt der Schichtcharakterisierung ist die Untersuchung der Tribokorrosionsbeständigkeit in einem speziellen Prüfstand. Des Weiteren werden für die experimentellen Arbeiten Abbruchkriterien festgelegt, um zielorientiert arbeiten zu können. Die individuelle Entwicklung der einzelnen Schichtsysteme erfolgt in einer iterativen Vorgehensweise unter Variation der physikalischen und chemischen Beschichtungsparameter. Die Schichtsysteme werden abschließend auf Basis der Anforderungen bewertet und miteinander verglichen. Als besonders aussichtsreich erscheinen Nickel-Wolfram- und Nickel-Zinn-Legierungsschichten, die im Labormaßstab eine sehr gute Tribokorrosionsbeständigkeit zeigen.